重载铁路特大桥墩身高性能混凝土配合比设计及施工控制.pdf

2 0 1 1年 第 4 期 (总 第 2 5 8 期 ) Nu mb e r 4 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 8 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CH N 0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 1 0 4 0 3 7 重载铁路特大桥墩身高性能混凝土 配合比设计及施工控制 李峥 ，张晓峰 ( 黄淮学院 ，河南 驻马店 4 6 3 0 0 0 ) 摘要： 结合工程实际介绍了重载铁路特大桥墩身的高性能混凝土满足耐久性要求的技术指标。 在对原材料进行检测与分析的基础上 选择了合适的配合比参数， 通过试验测定混凝土主要的物理、 力学及耐久性能指标 ， 确定满足墩身设计要求的混凝土配合比 ，并对混凝土 施工全过程进行严格的质量控制 。 对其他类似工程高性 能混凝土的应用具有一定的参考价值。 关键词： 高性能混凝士；耐久性；配合比设计；原材料；施工控制 中图分类号 ： T U5 2 8 0 6 2 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 3 0 0 4 De s i gn of t he mi x pr op or t i on of hi gh pe r f or manc e c onc r e t e and c on s t r uc t i on c on t r ol on pi e r s ha f t s of he a v y ha ul r ai l wa yS br i dg e LI Zh e n g， ZHANG Xi a o f e n g ( H u a n g h u a i U n iv e r s i ty， Z h u ma d i a n 4 6 3 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r act ： De s c rib e d wi t h p r a c t i c a l e n g i n e e rin g t h e t e c h n i c a l s p e c i fi c a t i o n s t o me e t t h e d u r a bi l i t y r e q u i r e me n t s o fh i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e o n p i e r s h a ft s o f h e a v y h a u l rai l wa ys b ri d g e Qu a l i t i e s o f t h e r a w ma t e ri a l s we r e i d e n t i fi e d o n t h e b a s i s o f t h e r e s u l t s ， a p p r o p ri a t e mi x p a r a me t e r s w e r e p r e s e n t e d Th e c o n c r e t e mi x p r o p o r t i o n whi c h c o u l d me e t the d e s i g n r e q u i r e me n t s o fthe p i e r s ha fts wa s i d e n t i fi e d a n d rec o mmen d e d b y t e s t i n g the ma j o r p h y s i c a l ， me c h a n i c a l a n d t h e r ma l p e rf o rm a n c e Q u a l i ty wa s c o n t r o l e d s t ri c t l y o n t h e wh o l e p r o c e s s o f c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n I t h a s s o me r e f - e r e n c e v a lu e o n o t h e r s i mi l a r p r o j e c t s i n the a p p l i c a t i o n o f h i 曲 p e r f o r ma n c e c o n c r e t e K e ywo r d s ： h i 曲 p e rf o rm a n c e c o n c r e t e ； d u r a b i l i ty； mi xp r o p o r t i o nd e s i gn ； r a wma t e r i a l s ； c o n s t r u c ti o n c o n t r o l 0 引言 山西中南部铁路通道自山西省吕梁市兴县的瓦塘开始， 横 贯晋豫鲁三省， 线路全长 1 2 6 0 k m， 是铁道部批准的国内第一 条轴重 3 0 t 的重载铁路。 主要设计技术标准为国铁 I 级、 双线电 气化 、 行车速度 1 2 0 k m h 。 由于山西中南部铁路通道跨越吕梁山、 太岳山、 太行山、 沂蒙革命老区、 华北平原和黄河 ， 吕梁山为全 线最高点 ， 地面高程 1 5 5 5 m， 鲁东低山丘陵区13 照地区为全 线最低点， 地面高度仅为 5 0 m， 落差 1 5 0 0 m。 因此， 修建山西 中南部铁路通道 ， 不是架桥 ， 就是挖隧道。 根据规划， 山西中南 部铁路通道全线共建桥梁 4 2 5座总长 2 4 3 k m， 隧道 1 5 8座总长 3 3 2 k m， 桥梁和隧道 占全线总长度的 4 6 8 。 重载铁路高性能混凝土是以耐久性作为设计的主要指标， 其耐久性指标涉及混凝土的抗裂性、 护筋性 、 耐蚀性 、 抗冻性 、 耐磨性及抗碱一 骨料反应性能等。 为提高重载铁路特大桥桥墩混 凝土耐久性 ， 采用普通原材料 ， 严格施 工工艺 ， 通过掺矿物掺合 料及外加剂进行高性能混凝土配合比的设计 、 试配及施工 控制， 配制而成具有高耐久性 、 低徐变 、 体积稳定性的综合性能优良 的混凝土， 使混凝土耐久性得到保证。 1 高性能混凝土耐久性设 计技 术指标 的确定 某特大桥按 1 0 0年一遇的防洪标准进行设计。 桥梁墩身混 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 1 - 1 6 1 30 凝土级别 C 4 5 泵送混凝土， 环境条件属于碳化环境 T 3 ， 化学侵 蚀环境 H2 ， 冻融破坏环境 D3 。 为了满足泵送混凝土的工作性能 ， 所生产的混凝土必须流动性大、 和易性好， 坍落度控制在 1 4 0 1 8 0mm。 工程开工后， 首先结合所用材料， 将水泥、 粉煤灰、 砂石 骨料及外加剂进行材质及相关参数的试验 ， 然后进行泵送混凝 土的设计试验， 再通过配合比的调整以及力学性能和耐久性能 试验的试验结果 ， 在满足设计和施工要求的条件下， 本着经济 节约 、 优选 的原则 ， 最终确定理论配合 比。 混凝土耐久性指标是根据结构的设计 使用 年限 、 所处 的环 境类别以及作用等级而确定。 就重载铁路特大桥墩身的设计资 料表明， 混凝土所处环境为碳化环境、 化学侵蚀环境及冻融破 坏环境， 其耐久性有下列几方面规定： ( 1 ) 设计使用年限见表 1 。 ( 2 ) 所处的环境类别以及作用等级见表 2 - 4 。 2 试验 所用原材料 2 1 水 泥 2 1 1 水泥的物理性质 水泥： 山西新绛威顿水泥厂 P O 4 2 5级水泥， 其物理性质， 见表 5 。 2 1 2 水泥原材料质量控制 ( 1 ) 目前大厂生产的水泥质量基本没有问题 ， 一些联营厂 表 1 混凝土结构设计使用年限级别 设计使用年限级别 一 级 二 级 三级 设计使用年 限 1 0 O年 6 O年 3 O年 生产的水泥质量还是有 问题的 。 施T应使用 常温水 泥 ， 主要 是 控制水 泥 厂时 间和使用 时间 ， 就是要等水泥温度降至常 温才 表 2 碳化环境等级划分 环境作用 等级 环境 条件特 征 Tl T2 T3 室 内平均相对湿度 9 5 0 mm颗粒含量 试验结果 1 6 0 O 1 浅 于标准 色0 4 I I 区 2 7 巾砂0 表 7 细骨料颗粒级配 ( 2 ) 细骨料 原材料质量控制 。 泥污含量要低 。 超过 2 5 对 外加剂影响很大 ， 效果 降低显著 ， 用量 明显增 大。 尽量采用 河 砂。 水洗砂 、 山砂 、 机制砂往往细颗粒 含量不足， 颗粒级配不好。 2 2 2 粗 骨料 ( 1 ) 粗骨料采用洪洞 广胜寺石料厂 5 - 3 1 5 碎石 ( 5 1 6 mm： 2 0 ， 1 6 - 3 1 5 mm： 8 0 掺配 ) 连续级配 ， 公称直径 3 1 5 m m； 其 主要指标 ， 见表 8 、 9 。 ( 2 ) 粗骨料原材料质量控制 。 针 、 片状颗粒要少 ， 颗粒形状 要好。 石粉与泥污含量要低 ， 石粉含量要加强控制。 级配要 佳， 粒径要合适。 最大粗径一般不宜超过 3 1 5 mi l l 。 1 31 表 8 粗骨料试验检测结果 表 9 粗骨料颗粒级配 2 3粉 煤灰 混凝土拌制用粉煤灰采用霍州兆光电厂 I 级粉煤灰， 其主要 指标， 见表 l 0 。 2 4外加 剂 2 4 1 外加剂选用 混凝土拌制用外加剂采用山西康特尔精细化工有限责任公 司KT P C A聚羧酸盐高性能减水剂， 掺量为胶凝材料用量的1 0 。 2 4 2 外加剂原材料质量控制 使用的外加剂， 一般情况下成品不能直接应用混凝土中， 实验室进行适应I 生 试验， 一定要认定合格才能使用。 好的外加剂。 减水效果好， 含碱量低， 拌制的混凝土和易性好 ， 在一定时间内 坍落度损失小， 早期强度高( 1 3 d ) 。 如果拌的混凝土泌水、 流浆、 黏稠度差、 坍落度损失快， 不要使用。 考察方法： 混凝土拌和好后， 堆成一个锥体， 锥体周围不能见到泌浆， 更不能见到泌水， 石子 应淹没在砂浆中， 无露石。 做坍落度试验提筒后， 坍锥曲线应圆 顺， 似倒扣铁锅 ， 不能成“ 草帽” 状。 试验选定时， 常为小样 ， 成批 到货后， 一定要验证其与小样品质量是否一致。 因此， 实验室一 定要与厂方共同封样， 以备样货不符时再检验使用。 2 4 3 外加剂用量控制 使用粉剂时 ， 应先用秤分盘称好 ， 装入小塑料袋 中， 使用时 每盘加一袋 。 不能用容器量 ， 也就是不能按体积计量 。 使用水剂 时 ， 应采用质量传感器计量 ， 不宜采用泵人 时间控制 。 表 1 0 粉煤灰试验检测结果 2 5水 ( 1 ) 大桥墩身泵送混凝土拌合用水为地下可饮用水。 ( 2 ) 水的计量控制。 目前的搅拌机用水量大多是水泵按时 间计量 ， 特别需要引起重视。 应采用质量传感器计量， 不宜采用 泵入 时间控制 。 如按时间计量 ， 常用坍落度控制 ， 因此搅拌 机出 料 口要有专人测定坍落度， 每 3 0 mi n 就要测定一次， 这样才能 有效控制用水量。 用水量按流量控制的搅拌机， 主要是加强材料 含水量的测定 ， 及时调整用水量 。 3 混凝 土配合 比计算 3 1 混 凝土 配制 强度 ，k +1 6 4 5 ( 1 ) 式中 。 混凝土配制抗压强度， MP a ； 。 混凝土设计龄期立方体抗压强度标准值， MP a ； 混凝土强度标准差 ， 取 6 O MP a 。 根据上述式( 1 ) ， 汾河特大桥墩身泵送混凝土配制强度为 5 4 8 7 M P a。 3 2 水 灰 比 ： 一 c ，o +O t b ( 2) 在计算公式中， 水泥强度 = 4 2 5 MP a ， 碎石取 a = 0 4 6 ， 0 0 7 ， 水泥强度的富裕系数考虑为 1 0 ， 计算得到水灰比为 0 3 5 。 3 3用水 量 根据减水剂掺量及减水率， 选取用水量为 1 5 0 k g m 。 3 4 每立方米混凝土胶凝材料用量 经计算 每立 方米混 凝土 胶凝材 料总 用量 为 4 2 9 k g ， 依据 1 32 T Z 2 1 0 - - 2 0 0 5第 7 4 2 1 条， 选取粉煤灰掺量为胶凝总量的2 5 ， 则粉煤灰用量为 1 0 7 k g ， 水泥用量为3 2 2 k g 。 3 5 骨料 用量 根据粗集料的品种、 粒径、 水胶比及拌合物的坍落度要求， 砂率可依据 泵送混凝 土规 定 3 8 一 4 5 砂 率进行选取 ， 选 取砂 率为 4 0 ， 假定 每立方米混凝 土拌合物 的密度 为 2 3 8 0 k g m 。 用质量法( 假定表观密度法) 应按下式计算 ： m m m m 0 ： = mc p ( 3) 1 0 0 ( 4 ) 。 m ms O 式 中： m 混凝土的水泥用量 ， k g m ； m 混凝土的粗骨料用量 ， k g m ； m 混凝 土的细骨料用 量 ， k g ， m ； m 混凝土的用水量， k g m ； 。砂率， ； m 混凝土拌合物 的假定质量 ； 其值 可取 2 4 0 o 2 45 0k g m 。 根据式( 3 ) 、 ( 4 ) 及试验结果 ， 汾河特大桥桥墩墩身泵送混 凝土每立方米骨料用量为中砂 7 1 9 k g 、 碎石 1 0 7 8 。 3 6 每立方米基准材料用量( k g ) 水泥：粉煤灰： 砂： 碎石： 水： 减水剂 = 3 2 2 ： 1 0 7 ： 7 1 9 ： 1 0 7 8 ： 1 5 0 ：4 2 9 o 4 配合 比调 整 4 1 试拌 试拌采用 3 个水胶比进行， 其他两个以基准配合比水胶比 分别减少或增加 0 0 2 ， 各配合比材料用量及力学性能试验( 5 6 d 抗 压强度 ) 、 耐久性能( 5 6d电通量 ) 见表 1 1 。 表 1 1 试拌各配合比材料用量及抗压 强度 编号 水胶 比 水泥 粉煤灰 砂碎石 水 外加剂 5 6 d抗压强度 MP a 4 2高性能混凝土氯 离子总合量和总碱含量 高性能混凝土氯离子 总含量和总碱含量计算 ， 见表 1 2 。 4 3 高性能混凝土配合比力学性能和耐久性能 根据高性能混凝土拌合物性能试验结果 ， 初步选定配合比 的混凝土拌合物性能都能满足要求。 按照铁建设 2 0 0 5 l 6 0号 铁路混凝土T程施工质量验收 补充标准 成型混凝土抗裂件 ， 养护 1 d后拆模放在一定的温度 和湿度条件下养 护 ， 每 天观察试件表面开裂情况 ， 经过 5 6 d的 养护， 用 1 0倍放大镜观察， 试件表面都没有裂缝出现。 C 4 5高性能混凝 土配合 比力学性能和耐 久性能见表 1 3 。 4 4 理 论 配合 比确 定 根据试验 结果 ， 在满 足设计 和施工要求 的条件下 ， 本着 经 济节约 、 优选 的原则 ， 确定 C 4 5泵送混凝 土理论配合 比为水 泥： 粉煤灰： 砂： 碎石： 水： 减水剂 = 3 4 1 ： l 1 4 ： 7 0 8 ： l 0 6 1 ： 1 5 0 ： 4 5 5 。 5 混凝土拌和、 振捣、 养护施工控制 5 1 拌合站管理和搅拌 时间控制 5 1 1 拌合站管理 ( 1 ) 配料计量管理 。 配料计量系统应按规定进行检定。 频繁 使用的建议半年检定一次， 一月进行一次期间核查 ， 可用砝码 或直接称料都可以， 一般检查两个点。 计量系统有问题的话， 后 果非常严重 ， 最严重 的导致工程报废 。 ( 2 ) 运行状态管理。 定时对搅拌机进行检修、 维护保养。 常见 故障： 抽不上水， 不上料， 不进水泥， 出料口打不开， 水箱或外加 剂容器渗漏等。 出现这些故障就会导致配料不准确， 改变混凝土 性能 ， 影响质量和进度， 所以一定加强设备维护保养 ， 用于重要 工程混凝土拌和前一定要检修一次设备。 ( 3 ) 把 好进场材料 质量和数量 验收关 。 对进场 材料 的质量 和数量要严格 把关 。 对于碎石 主要是管好 泥污含量 ； 对 于砂 除 管好含泥量外 ， 还要查对产地和细度模数。 进场材料数量是只 会少 ， 不会多， 严重的可导致拌合站亏损 ， 站里亏损 了， 个别 单 位偷 工减 料 ， 造 成混 凝 土质 量事 故 ， 材料 数量 验 收也 要认 真对 待 表 1 3 C 4 5高性能混凝土配合比力学性能和耐久性 制作试件时坍落度 胶凝材料抗蚀性 5 6 d 抗压强度 5 6 d电通量 堕 型 mm MP a C 相对动弹性模量 冻融循环 2 0 0次后试件 的质量损失率 顶面 侧面 1 6 0 O 9 1 5 5 8 7 2 5 9 5 1 O 7 无裂纹 无裂纹 5 1 2 搅拌时间不够 的后果 搅拌时间少 于 1 mi n ， 材料还未搅拌均匀。 搅拌时间少于 1 5 rai n ， 往往外加 剂尚未与水泥及粉煤灰产 生物理化学作用 ， 不能发挥应有 的作用 。 搅拌时间少于 1 5 mi n ， 水也未与水泥产生应有的作用。 由于搅拌时间不够 ， 要达到预期的坍落度， 往往就盲 目增 加用水量， 致使强度降低。 混凝土进入运输车后， 运输途中卷筒 转动搅拌， 往往坍落度比要求值( 预期值) 大多了。 结果使混凝土 产生泌水 ， 水沿模板流出 ， 在混凝 土表 面形成“ 砂纹” 。 泌出的水 ， 往往带有水泥或粉煤灰中尚未搅拌湿化的黑色细末 ， 其与水沿 模板下渗后 ， 在混凝 土表面又形成“ 黑斑 ” 。 流出的水 ， 在混凝土 表面形成小空洞一 麻面 。 5 1 3 建议最短搅拌时间 掺用萘系外加剂的混凝土最短搅拌时间不得少于 l 1 0 s ； 掺用聚羧酸盐外加刺的混凝土最短搅拌时间不得少于 1 2 0 S ； 预应力混凝土搅拌 时间不得少于 l 8 0 S ； 未掺用外加剂的混凝土 ， 搅拌时间也不宜少于 9 0 S 。 5 1 4 搅拌数量 每次搅拌量应为标牌( 公称) 搅拌量的 0 7 5 0 8 O 。 否则达到 相同坍落度每立方米混凝土将增加拌合用水 3 k g 。 5 2 混 凝 土振 捣控 制 混凝土振捣， 一般单位能引起重视， 但也有不重视的， 认为输 送车运输 、 泵送的混凝土坍落度大， 不振或少振都可以， 这是一个 误区。 振捣间距应为振动棒作用半径的 1 5 倍 ， 间距一段为 5 0 c m 左右， 应插入下层深度8 c m左右， 距模板也为 8 c m左右。 每一振 点一般振 5 0 S 左右， 以混凝土上表面不沉降， 不再振出气泡， 表面 呈现出浆液为止。 振动棒不得接触模板， 否则引起混表面起黑斑。 一 般不主张采用模外附着式振动器振捣。 如确有需要振动时间要 严格控制， 一般不宜超过 2 5 s 。大体积混凝土( 如： 桥承台) 应加强 内部降温1 _= 作， 主要作法， 适当加大粉煤灰使用量， 少用水泥； 如无 外观要求， 可采用矿渣水泥或粉煤灰水泥： 加放双层蛇形冷凝管， 并在浇筑完毕 2 h左右开始进排水， 这是避免内外温差引起的裂 纹 的措施之一。 一般混凝土要及时浇水 ， 浇水时间掺粉煤灰 的一般 不少于2 8 d ， 不掺粉煤灰的不少于 2 1 d ， 不然表面起点， 不光洁。 5 3蒸 养制度 蒸汽养护 的混凝土 ， 应根据 试验或规 范规定 ， 制订 明确 的 静停、 预加热 、 升温、 恒温、 降温制度。 规定最高温度、 升降温速 度 和各 时段 时长 ， 并按要求测温 。 蒸养制度严 格执 行 ， 否则可能 导至混凝土龟裂以致崩塌 ， 轻的降低强度和使用性能。 下转第 1 3 6页 1 33 表 2判别模 型分析结果 与期望结果相吻合 ， 说明该模型评估正确率高， 能较好的评估 混凝土的综合施工质量。 3结论 针对钢筋混凝土的质量与其影响因素之间的关系呈现高 上接第 1 3 3页 6结 束语 高性能混凝土已在铁路施工中被广泛采用， 但对于我国第 一 条重 载铁路 ， 桥梁墩身遭 受较严重 的碳 化环境 、 化学侵蚀环 境和冻融破坏环境的高性能混凝土的配合比设计资料还比较 缺少 ， 通过合理的配合比设计及施工质量控制， 可大大提高混 凝土耐久性 ， 节约成本 ， 确保工程质量 。 参考 文献 ： 1 】 2 0 0 5 1 1 5 7 号 ， 铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定【 s 北京： 中国 铁道出版社 ， 2 0 0 6 度非线， 本文综合参考前人已有的研究基础上， 在考虑满足工 程技术需要、 更加接近现场实用及充分利用历史数据资料指导 工程实际的思想指导下， 借鉴判别分析理论的原理 ， 选取影响 钢筋混凝土施 工质量 的主要 因素 ， 以模 板工程 、 钢筋工程 、 混凝 土工程施 质量 为评价指标 ， 建立 F i s h e r 判别分析模 型对钢筋 混凝 土施 工质量进行综合评估 ， 并 在实际工程 的预测 中取得 了 良好 的效果 ， 为钢筋混凝土施 工质 量评估 问题 的研究提供 了一 条新思路 参考文献 ： 1 J G J 5 5 2 0 0 0 ， 普通混凝土配合比设计规程 s 】 E 京： 中国建筑工业 出版 社 ， 2 0 0 1 【 2 】郑少瑛， 陈静茹基于神经网络在钢筋混凝土施工质量评价中的应 用研究 J J 四川建筑科学研究， 2 0 0 9 ， 3 5 ( 6 ) ： 3 0 1 3 0 3 3 孙建平 建设工程质量安全风险管理 M 北京： 中国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 6 4 莫轻兵 钢筋混 凝土施工质量评价 的智能方法 J _ 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 3 5 3 7 5 】 重陇军， 李夕兵 ， 赵国彦， 等 露天采矿爆破振动对砌体结构破坏效 应预测的 F i s h e r 判别模型 及应用 J 】 岩石力学与 工程 学报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 4 ) ： 7 5 0 7 5 6 6 董陇军， 李夕兵， 白云飞 急倾斜煤层顶煤可放性分类预测的 F i s h e r Y U Y U 分析模型及应用lJ 1 煤炭学报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 1 ) ： 5 8 6 2 7 V A P N I K V， 张学 工 统计学 习理 论的本质 【 M 北 京 ： 清华大学 出版 社 ， 2 0 0 0 作者简介： 张颖红( 1 9 6 9 一 ) ， 女。 联系地址 ： 浙江杭州下沙高教园区 浙江工商大学基建处 ( 3 1 0 0 1 8 ) 联 系电话 ： 1 3 5 8 8 7 3 6 7 8 2 4 T z 2 1 O 一2 0 0 l ， 铁道科学研究院 铁路混凝土工程施工技术指南【 s 】 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 2 5 G B T 5 0 0 8 1 -2 0 0 2 。 普通混凝土力学性能试验方法标准【 s 】 京 ： 中 国建筑工业出版 社 ， 2 0 0 3 f 6 1 GB T 5 0 0 8 0 -2 0 0 2 ， 普通混凝土拌合性能试验方法标准 s 】 京 ： 中 国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 f 7 1 谢凯军， 郭小安， 等 客运专线高性能混凝土配合比设计与试验研 究 水利水电施工 ， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 7 9 - 8 3 2 】J G J 5 5 2 0 0 0， 普通混凝土配合比设计规程 s 北京 ： 中国建 筑工业 作者简介 ： 出版社 ， 2 0 0 1 3 】 2 0 0 5 1 1 6 0 号， 铁路混凝土工程施工质量验收补充标准 s E 京 国铁道 出版社 ， 2 0 0 6 l 3 6 由 联系地址 ： 联系电话 ： 李峥( 1 9 7 0 一 ) ， 女 ， 副教授 ， 硕士学位 ， 主要从 事土木 工程教 学及研究工作 。 河南省驻马店市 开源路 9 9号 黄淮学院建工 系( 4 6 3 0 0 0 ) 1 3 4 61 8 9 5 8 4 5